Basics 5: Private und öffentliche Netze

Mit Mobilfunk verbinden die meisten Menschen die allseits bekannten öffentlichen Mobilfunknetze. In Deutschland betreiben die Deutsche Telekom, Vodafone, Telefonica und zukünftig 1&1 öffentliche Mobilfunknetze. Fast jeder nutzt die Netze für die Kommunikation mit Handy oder Smartphone. Doch öffentliche Mobilfunknetze sind nicht für alle Anwendungsszenarien gleich gut geeignet. Unternehmen und Industrie haben besondere Anforderungen, die öffentliche Netze nicht erfüllen. Aus diesem Grund existieren private Mobilfunknetze. Mit der Einführung von 5G und der Möglichkeit, sich private Frequenzen zu sichern, erhalten diese Netze neuen Schub. Doch auch mit 3G und 4G und den Übertragungsstandards CDMA und LTE lassen sich private Netze realisieren. Zusätzlich gibt es die Möglichkeit, private APNs in öffentlichen Mobilfunknetzen zu nutzen. Wir erklären Ihnen in diesem Beitrag, warum und wofür private Mobilfunknetze benötigt werden und welche Arten es gibt.

Warum und wofür werden private Mobilfunknetze benötigt?

Mit der zunehmenden Digitalisierung und den vernetzten Prozessen der Industrie 4.0 gewinnt eine zuverlässige und leistungsfähige mobile Netzversorgung mehr und mehr an Bedeutung. Moderne Geschäfts- und Produktionsprozesse erfordern immer öfter eine mobile Kommunikation in Echtzeit mit höchster Performance und Zuverlässigkeit. Öffentliche Mobilfunknetze erfüllen diese Anforderungen nur zum Teil. Sie sind von ihren Betreibern für einen maximalen ökonomischen Nutzen optimiert, bieten hinsichtlich Qualität, Performance und Verfügbarkeit nur eingeschränkte Garantien und sind stark auf die Nutzung mobiler Endgeräte wie Smartphones ausgerichtet. Letztendlich bedienen die öffentlichen Netze nur einige Anwendungsszenarien mobiler Kommunikation und können nicht exklusiv auf einzelne Kunden oder Anwendungen abgestimmt werden.

Auch eine Vernetzung per WLAN erfüllt die Anforderungen der Unternehmen und Industrie nur teilweise. WLANs arbeiten mit ungeschützten, für jeden freigegebenen Frequenzbereichen und sind externen Störeinflüssen ausgesetzt, die sich nur schwer beeinflussen lassen. Die Reichweite dieser Netze ist begrenzt, die Latenzzeit relativ hoch und die Datenrate schwankt in einem weiten Bereich.

Die besonderen Anforderungen geschäftskritischer Anwendungen und vernetzter industrieller Prozesse lassen sich oft nur durch private Mobilfunknetze erfüllen. Sie sind von den öffentlichen Mobilfunknetzen logisch und physisch getrennt und speziell für anspruchsvolle Anwendungsszenarien konzipiert. Private Netze besitzen eine maßgeschneiderte Netzabdeckung und sorgen für die Vernetzung von Sensoren, Maschinen, Anlagen und mobilen Geräten mit der geforderten Latenz, Verfügbarkeit und Datenrate.

Welche Arten von privaten Mobilfunknetzen gibt es?

Grundsätzlich gibt es mehrere Möglichkeiten, private Mobilfunknetze zu realisieren. Zu diesen zählen:

  • Private 5G-Campus-Netze
  • Private CDMA- und LTE-Netze im 450-MHz-Band
  • Nutzung privater APNs in öffentlichen Mobilfunknetzen

Private 5G-Campus-Netzwerke

Mit der fünften Generation der Mobilfunktechnik ergeben sich neue Möglichkeiten für private Mobilfunknetze. Seit 2019 können sich Unternehmen 5G-Frequenzen für den Aufbau eigener lokaler 5G-Campus-Netzwerke sichern. Mit solchen Netzen lassen sich die Anforderungen anspruchsvoller Industrie-4.0-Szenarien erfüllen. Sie bieten hohe Bandbreiten, kurze Latenzzeiten, garantierte Verfügbarkeiten und sind sicher. Mit sogenanntem Network-Slicing sind in einem einzigen Campus-Netz verschiedene Anwendungen mit unterschiedlichen Anforderungen gleichzeitig betreibbar.

In Deutschland sind bereits mehrere private 5G-Campus-Netze großer Unternehmen entstanden. Dazu zählen zum Beispiel Netze der Lufthansa und von BMW oder Rittal. Weitere Unternehmen wie Volkswagen, Bosch, Daimler, BASF und viele mehr zeigen starkes Interesse an eigenen 5G-Netzen oder arbeiten bereits intensiv an einer Realisierung.

Private CDMA- und LTE-Netze im 450-MHz-Band

5G ist aber keine Grundvoraussetzung für den Aufbau privater Mobilfunknetze. Mit 3G und 4G und den Übertragungsstandards CDMA und LTE sind ebenfalls private Netze realisierbar. Für solche Netze ist in Deutschland zum Beispiel das ursprünglich für das C-Netz reservierte 450-MHz-Band nutzbar. Die relativ niedrigen Frequenzen erzielen große Reichweiten und eine gute Gebäudedurchdringung. Selbst schwer zugängliche Bereiche lassen sich zuverlässig mit Mobilfunk versorgen.

Die Bundesnetzagentur stellt 450-MHz-Frequenzen für die funktechnische Versorgung kritischer Infrastrukturen zur Verfügung. Beispielsweise lassen sich mit CDMA-450-MHz Smartmeter vernetzen und Energienetze überwachen. 2021 vergab die Bundesnetzagentur das Frequenznutzungsrecht einiger frei gewordener 450-MHz-Frequenzbereiche an die 450connect GmbH, einem Konsortium der Energie- und Wasserwirtschaft. Das Konsortium ist für den Aufbau eines 450-MHz-Netzes verantwortlich und darf dieses Netz exklusiv bis mindestens 2040 betreiben. Das Netz bietet eine hervorragende Gebäude- und Flächenversorgung, ist notstromversorgt und vom öffentlichen Stromnetz unabhängig. Es kann Anwendungen priorisieren und hat eine sichere, autarke Netzinfrastruktur. 2022 startete der Testbetrieb mit ersten Kunden. Bis 2024 soll das Netz mit circa 1.600 Funkstandorten voll einsatzfähig sein.

Nutzung privater APNs in öffentlichen Mobilfunknetzen

Eine weitere Möglichkeit einer privaten, abgesicherten mobilen Kommunikation ist die Nutzung privater APNs in öffentlichen Mobilfunknetzen, auch wenn es sich dabei streng genommen nicht um autarke, private Mobilfunknetze handelt. APN ist das Akronym für Access Point Name. Es handelt sich um eine Art Gateway, das für die mobilen Endgeräte die Verbindung zu Datennetzwerken herstellt. Die Endgeräte sind über ihre SIM-Karte einem oder mehreren APNs zugeordnet. Über die öffentlichen APNs der Mobilfunknetze sind die Verbindungen in das Internet realisiert.

Mithilfe privater APNs lässt sich die Verbindung zu einem beliebigen Datennetz wie zu einem Unternehmensnetzwerk herstellen. Über die SIM-Karte werden zum Beispiel IoT- oder M2M-Geräte einem privaten APN zugewiesen. Die Endgeräte kommunizieren über das verbundene private Datennetz abgeschottet vom öffentlichen Internet. Das Mobilfunknetz stellt die Luftschnittstelle und die Konnektivität zum privaten APN und Datennetz zur Verfügung. Für die Endgeräte lassen sich private IP-Adressen und spezielle Authentifizierungsmechanismen oder Netzparameter festlegen. Sie sind in einer Art geschlossenen Nutzergruppe vor unberechtigten Zugriffen geschützt.

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